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1、三相异步电动机的功率和电磁转矩,第21讲 三相异步电动机的功率和电磁转矩,一、功率和损耗 二、转矩平衡方程式 三、电磁转矩公式 四、工作特性 五、整距分布线圈组的电动势,（一）三相异步电机的功率和损耗 1、输入的电功率P1： 2、定子铜损耗pCu1：,一、三相异步电动机的功率关系,3、铁心损耗pFe： 因为正常运行时，异步电动机的转速接近于同步转速，n很小，转子电流频率f2=13Hz，转子损耗pFe2pFe1，计算整个异步电动机铁损耗时可忽略pFe2，所以有,4、电磁功率PM：从等效电路可知，传输给转子回路的电磁功率PM等于转子电路全部等效电阻上的损耗，即,一、三相异步电动机的功率关系,从转子
2、回路看，电磁功率也可为：,5、转子铜损耗pCu2：,此式表明总机械功率Pm等于电磁功率PM减去转子绕组上的铜耗pCu2，看起来是等效电阻 上的损耗，实际上这个损耗是传输给转轴的机械功率。它是转子电流与气隙旋转磁场共同作用产生的电磁转矩T，带动转子以转速n旋转时所对应的功率。,一、三相异步电动机的功率关系,6、总机械功率Pm:,由于电动机运行时，总有风阻、轴承等阻尼转矩要损耗一部分功率，即机械损耗，用pm表示。除了上述各种损耗外，异步电动机由于定、转子槽对气隙磁通势的影响，转子磁通势中含有谐波磁通势，会产生一些不易计算的杂散损耗，杂散损耗很小，用ps表示。根据经验估算，大型异步电动机的ps0.5
3、%PN，小型异步电动机要大些，有ps（1%3%）PN。,一、三相异步电动机的功率关系,总机械功率Pm减去机械损耗pm和杂散损耗ps才是轴上输出的机械功率，即 P2=Pm-（pm+ps） 综合以上各项功率和损耗，可写出异步电动机的功率平衡方程式为 P2=P1-pCu1-pFe-pCu2-pm-ps 上述功率与损耗的关系可用功率流程图表示。,一、三相异步电动机的功率关系,异步电动机功率平衡流程图,一、三相异步电动机的功率关系,二、三相异步电动机的转矩关系,方程两边同除可得： 其中，T2为电动机转轴上输出转矩； T0为电动机的空载转矩。,异步电动机传输给转轴的总机械功率Pm就是电磁转矩T与转轴机械角
4、速度的乘积，即同时还可以表示为：,三、电磁转矩的物理表达式,根据异步电动机的转矩方程式为,其中 为异步电动机的电磁转矩系数，其物理意义同直流电机。与直流电机的电磁转矩公式 极为相似，其中 是异步电动机转子电流的有功分量，是转子电流中能产生电磁转矩的电流。,三相异步电动机的工作特性,异步电动机工作特性是指定子电源电压为额定电压和频率为额定频率时，电动机的转速n、定子相电流I1、功率因数 、电磁转矩T、效率 和输出机械功率P2之间的关系曲线。,一、转速特性 直接求转速特性很困难，可以通过转子铜耗和电磁功率的关系，得到转差率和转子电流折算值的关系，然后得到转速特性。 由 ，可得,其中 ，由于 ，当P
5、2从0到PN变化时， 可认为是一个常数，而 ，当P2作上述变化时，s从0变化到s=0.020.06。 和 在数值上是同一数量级，故可得，所以 可近似为一常数，由此可得到 。,三相异步电动机的工作特性,三相异步电动机的工作特性,从上面的分析得到 和 在P2变化时，可得到 。这样就可以找到有代表性的两点来作直线，此即为转速特性。,从机械功率和转差率公式可以得到：,理想空载点：P2=0，s=0，n=n1额 定 点：P2=PN，sN=0.020.06 nN=(1-s)n1=(0.980.94)n1 由此可得到转速特性曲线如图，曲线为一条稍微向下倾斜的直线。,三相异步电动机的工作特性,二、定子电流特性
6、根据三相异步电动机磁通势平衡方程式 ，因为I0在P2变化时保持不变，随着负载P2的增大，转子电流 增大，定子电流I1也增大，由于前面得到 基本上与P2成正比，所以定子电流I1基本上也随P2成线性增大。由于在P2=0时， ，这时 。定子电流特性曲线如图。,三相异步电动机的工作特性,三、功率因数特性 异步电动机运行时需要从电网吸收无功电流进行励磁，所以I1电流总是滞后电源电压U1，功率因数 。空载时，定子电流为I0，基本为励磁电流，此时功率因数为 左右。当负载P2增大时，励磁电流I0保持不变，有功电流随着P2的增大而增大，使 增大，接近额定负载时，功率因数最高， 左右。如超过额定功率后负载进一步增
7、大，转速下降速度加快，s上升较快，使 下降较快，转子电流有功分量所占比例下降，使定子电流有功分量比例也下降，从而使 反而减小，曲线如图。,三相异步电动机的工作特性,四、电磁转矩特性 根据转矩平衡方程式 ，当负载变化时，空载转矩T0保持不变 。而 ，当P2在0PN 之间变化时，s变化很小，变化也不大，所以可认为T2与P2成正比，特性曲线 为一直线。由于 ，T0基本保持不变，近似为常数，从而使电磁转矩特性 也为一直线。电磁转矩特性曲线如图。,五、效率特性 根据效率公式，有,三相异步电动机的工作特性,当P2变化时，效率的变化取决于损耗 的变化。而损耗: 其中pFe和pm为不变损耗，即当P2变化时，这
8、部分损耗不变。pCu1、pCu2、pad为可变损耗。,三相异步电动机的工作特性,电动机空载时，P2=0， 。由于pCu1、pCu2分别与 和成正比，随着输出功率P2的增大，开始可变损耗在 中占有很小的比例， 增加很缓慢，所以 上升很快。随着P2的增大，可变损耗增加很快，使 增大速率减慢，当可变损耗等于不变损耗时，电动机的损耗最大。对中小型异步电动机，当P2=0.75PN时，效率最高。当P2继续增大，可变损耗增加速度较快，效率降低，如图所示。,三、三相异步电机的参数测定,根据三相异步电动机等效电路就可以计算电动机的运行性能，但和变压器一样，需要知道等效电路中的各电路参数。参数分为两组：一组时表示
9、空载状态下的励磁参数 ，另一组为等效电路的漏阻抗参数 。与变压器一样可以通过短路（堵转）试验和空载试验得到。,1、堵转实验与短路参数的确定,三、三相异步电机的参数测定,（1）堵转实验 也称为短路试验，是指异步电动机等效电路中的附加电阻 的状态。如图所示。此时，s=1，n=0（定子绕组外加电压而转子静止）。为使堵转试验电动机短路电流I1不致过大，应降低电源电压，一般使U1从0.4UN开始逐步降低，记录电压U1、定子短路电流I1k和短路功率P1k，并画出堵转实验特性曲线。定子电阻R1用万用表测量得到。,三、三相异步电机的参数测定,（2）短路参数计算 在简化等效电路中，由于 ，可认为励磁支路开路，I
10、00。堵转实验中，P1k全部消耗在定、转子的铜耗上，即 由于所以有：从而可求得：短路阻抗： 短路电阻： 短路电抗：对于 和 在大中型异步电机可以认为：,三、三相异步电机的参数测定,（二）空载实验与励磁参数的确定1、空载实验目的：测定空载参数Rm和Xm，必须测得参数铁耗pFe机械损耗 pm步骤：实验时，电动机不加任何负载，使电动机处于空载运行，定子绕组施加电压和频率为额定值的三相对称电源，在额定电压下先进行预运行，让电动机工作一段时间，以使其机械损耗达到稳定值。实验时用调压器调节定子绕组电压，使其从高（1.11.3倍额定电压）往低调，逐点测量，直到转速发生明显变化为止。记录各点的端电压U1、空载
11、电流I0、空载功率p0以及转速n。且绘出I0=f（U1）及p0=f（U1）的曲线，如图所示。,空载特性曲线,三、三相异步电机的参数测定,2、励磁参数的确定（1）机械损耗与铁心损耗的分离。空载实验测得的功率只有输入功率P0，由于转子电流很小，转子铜损耗忽略。由于空载输入功率P0没有产生输出，全部被消耗，即式中 ，R1可直接测得，pCu1也可利用上式求得，从而求得铁心损耗pFe、机械损耗pm以及空载附加损耗ps。,异步电动机铁心损耗与机械损耗的分离,三、三相异步电机的参数测定,而pFe+ps和pm无法测得。只能通过间接方法把他们分离。机械损耗pm的特性是与电压高低无关，仅与转速有关。而空载实验中转速基本不变，所以在实验过程中可近似人为pm不变。而pFe+ps与电压U1的平方成正比，画出 曲线，把图中的直线延长与纵坐标的交点A，过A作与横轴的平行线，则横轴与平行线之间的距离即为机械损耗pm，从而求得pFe+ps。（2）励磁参数的计算 空载时，nn1，s0，转子绕组可以认为开路，其等效电路如下图。,异步电动机铁心损耗与机械损耗的分离,A,三、三相异步电机的参数测定,定子加额定电压，根据空载测得参数可得：由等效电路可以看出：X1从短路（堵转）试验中测出，于是可以得到：则，励磁电阻为：,
